Io uring

io_uring (旧aioring) はストレージデバイスの非同期IO操作のためのLinuxカーネルのシステムコールインターフェースの一つであり、類似インターフェース（ファイル記述子を介してアクセスされるデータを操作するread()/write()やaio_read()/aio_write()のような関数によって提供されるもの）におけるパフォーマンス問題に対処したものとなっている^[1][2](p2)。

このインターフェースの開発は進行中であり、主に Meta のジェンス・アクスボーが作業を行っている^[1]。

インターフェース

この io_uring は I/O リクエストの提出 (submission) と完了 (completion) それぞれを保存するために2つの「キューリング」と呼ばれるリングバッファを作成することによって機能する。ストレージデバイスの場合、これらキューは「提出キュー (SQ)」と「完了キュー (CQ)」と呼ばれている^[3]。これらのバッファをカーネルとアプリケーション間で共有し続けることは、両者の間でバッファをコピーするための余分で高価なシステムコールの発行を不要にし、I/Oパフォーマンスを向上させる^[1][4][3]。io_uringの設計書によれば、SQバッファは利用アプリケーションによってのみ書き込み可能であり、CQバッファはカーネルによってのみ書き込み可能となっている^[1]:3。

歴史

元々Linuxカーネルにおいてはバージョン2.5以降より長らく非同期IO APIが搭載されていたが、この古いAPIの使用は難しくかつ非効率であると見られており^[5]、また特定のニッチなユースケースにのみに向いたものとなっていた^[6][7]。

2019年、Linuxカーネル バージョン5.1 において独自の非同期APIである io_uring カーネルインタフェースが登場し^[1][4][8]、またユーザースペースから簡単にカーネルインタフェースとやりとりするためのliburingライブラリも用意されるようになった^[1][1]:12。

その後、2020年代にはこの io_uring を採用したソフトウェアが数々登場した。これには後述のライブラリのほか、Intel Cloud-Hypervisor 0.9以降^[9]、Limbo（SQLite互換実装）^[10]、PostgreSQL 18 以降（予定）^[11]などが存在する。

io_uringを使用したライブラリ

• Seastar - C++によるthread-per-coreなサーバーアプリケーション向けフレームワーク。オープンソース。リアクターの実装にlinux-aio、epoll、io_uringの3つのバックエンドが存在する^[12]。ScyllaDBで使われている。
• glommio - Rustによるthread-per-coreプログラミング向けライブラリ。オープンソース。上記のSeastarに影響を受けて開発された^[13]。メイン、低レイテンシ用、NVMe IOのポーリング用の3つのリングを作るのが特徴となっている^[13]。
• Storage Performance Development Kit - Intelにより開発され、その後オープンソース化されたNVMe SSD向け開発キット^[14]。独自のNVMeブロックデバイスはio_uringよりも高速とされている^[15]が、io_uringをブロックデバイスとして使うこともできる^[16]。